JP5298910B2

JP5298910B2 - 衝撃吸収構造

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Publication number: JP5298910B2
Application number: JP2009028555A
Authority: JP
Inventors: 真之介下川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: US8607944B2; JP2010185481A; US20100200346A1

Description

本発明は、衝撃荷重を吸収するための衝撃吸収構造に関する。

従来の衝撃吸収構造としては、立体中空で外側面に平面を有する筒状のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような衝撃吸収構造では、軸線方向（特定方向）に加わる衝撃荷重を自己破壊により吸収することが図られている。

特開２０００−１７９６０２号公報

しかし、上述したような衝撃吸収構造では、特定方向の衝撃荷重は吸収されるものの、特定方向以外の方向の衝撃荷重については、充分に吸収されない場合がある。そのため、吸収する衝撃荷重の荷重方向に高いロバスト性が要求されている。また、近年の衝撃吸収構造として、衝撃荷重の吸収をコントロールできるものが望まれている。

そこで、本発明は、吸収する衝撃荷重の荷重方向に高いロバスト性を有することができ、且つ衝撃荷重の吸収をコントロール可能な衝撃吸収構造を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明に係る衝撃吸収構造は、特定方向の衝撃荷重を吸収するよう構成された衝撃吸収構造であって、中空の立体構造を呈する第１立体部と、第１立体部内に配設され、中空の立体構造を呈する第２立体部と、を備え、第２立体部は、特定方向と交差する方向に沿う壁部を有することを特徴とする。

この衝撃吸収構造では、第１立体部内に第２立体部が設けられてなるような２重構造にでき、且つ、第２立体部の壁部によって、円筒状の従来構造のように特定方向の衝撃荷重を吸収するだけでなく、特定方向を含む多方向の衝撃荷重を吸収することが可能となる。よって、衝撃荷重の荷重方向に高いロバスト性を発揮させることができる。加えて、かかる第２立体部によって衝撃吸収構造に作用する荷重（以下、単に「荷重」という）を分散でき、衝撃荷重の吸収をコントロールすることが可能となる。

また、第２立体部は、特定方向と交差する面での断面積が、特定方向における一方側から他方側に行くに従って変化するように構成されていることが好ましい。この場合、衝撃荷重による自己破壊の進展に連れて特定方向と交差する面での断面積が変化することから、荷重を徐々に変化させることができる。つまり、衝撃荷重の吸収を一層コントロールすることが可能となる。

このとき、第２立体部は、具体的には、特定方向と交差する面を底面とするような錐形状外形、錐台形状外形、又は球欠形状外形を呈する場合がある。

また、第２立体部は、球形状外形を呈することが好ましい。この場合、第２立体部が球形状外形を呈していることから、その壁部によって特定方向を含む多方向の衝撃荷重を好適に吸収することができ、荷重方向に一層高いロバスト性を発揮させることが可能となる。加えて、衝撃荷重が負荷された際、球形状外形の第２立体部が潰れるように変形されることから、かかる変形の進展に連れて荷重を徐々に上昇させることができる。つまり、衝撃荷重の吸収を一層コントロールすることが可能となる。

本発明によれば、吸収する衝撃荷重の荷重方向に高いロバスト性を有することができ、且つ衝撃荷重の吸収をコントロールすることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る衝撃吸収構造を示す概略斜視図である。図１の衝撃吸収構造における製造方法の一例を示す説明図である。図２の衝撃吸収構造における製造方法の続きを示す説明図である。図１の衝撃吸収構造に衝撃荷重が負荷されたときの荷重とストロークを示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る衝撃吸収構造を示す概略斜視図である。（ａ）は図５のVI（ａ）−VI（ａ）線に沿っての断面図であり、（ｂ）は図５のVI（ｂ）−VI（ｂ）線に沿っての断面図である。図５の衝撃吸収構造に衝撃荷重が負荷されたときの荷重とストロークを示すグラフである。図５の衝撃吸収構造の他の例を示す概略斜視図である。図５の衝撃吸収構造のさらに他の例を示す図である。本発明の第３実施形態に係る衝撃吸収構造を示す概略斜視図である。（ａ）は図１０のXI（ａ）−XI（ａ）線に沿っての断面図であり、（ｂ）は図１０のXI（ｂ）−XI（ｂ）線に沿っての断面図である。図１０の衝撃吸収構造に衝撃荷重が負荷されたときにおける図１０のXI（ｂ）−XI（ｂ）線に沿っての断面図である。図１０の衝撃吸収構造に衝撃荷重が負荷されたときの荷重とストロークを示すグラフである。図１０の衝撃吸収構造の他の例を示す概略斜視図である。（ａ）は図１０の衝撃吸収構造のさらに他の例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は図１５（ａ）の（ｂ）−（ｂ）線に沿っての断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」「左」「右」等の語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。ちなみに、図面においては、説明の便宜上、その壁厚（肉厚）を適宜省略して示している。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る衝撃吸収構造の概略斜視図であり、図２は、図１の衝撃吸収構造の断面図である。

図１に示すように、本実施形態の衝撃吸収構造１は、例えば衝突等によって生じる衝撃荷重（衝撃力）を吸収するためのものであり、図示上方から下方に向かう方向である特定方向の衝撃荷重Ｆを吸収するように配置され使用される。衝撃吸収構造１は、例えば、複合材構造物に係る航空機、自動車、船舶及び高速道路等における耐衝撃構造や全体構造に適用可能なものである。

この衝撃吸収構造１は、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）で形成され、所定厚さの薄板構造とされている。衝撃吸収構造１は、中空の多面体構造（立体構造）とされた第１立体部２を備えている。ここでの第１立体部２は、その外形が立方体形状を呈している。

この第１立体部２内には、特定方向に交差する方向（ここでは、特定方向に対し４５°傾斜する方向）に延びる壁部３が形成されている。具体的には、壁部３は、第２立体部２の上壁部２ａから下壁部２ｂに至るまで対角状に第１立体部２を分断するように延びている。これにより、衝撃吸収構造１は、第１立体部２内に形成（配設）された中空の立体構造であって特定方向と交差する方向に沿う壁部３を含む第２立体部４を備えることになる。

次に、衝撃吸収構造１の製造方法について、図２，３を参照しつつ説明する。なお、ここでは、３次元的に複数並設された衝撃吸収構造１の製造方法を例示して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、例えばポリスチレンフォーム（ビーズ法４５倍発泡）からなり長方体形状のコア材を対角線で切断し、三角柱形状のコア材１１ａ，１１ｂを形成する。続いて、図２（ｂ）に示すように、これらコア材１１ａ，１１ｂの外周面にＣＦＲＰ基材１２を巻き付ける。このとき、コア材１１ａ，１１ｂの対角面に介在されるようＣＦＲＰ基材１２を波状に巻き付ける。これにより、第１中間体１３を得る。

続いて、図３に示すように、第１中間体１３を並置すると共に、これら第１中間体１３の外周面にＣＦＲＰ基材１４を巻き付ける。このとき、隣接する第１中間体１３，１３間に介在されるように、ＣＦＲＰ基材１４を波状に巻き付ける。これにより、第２中間体１５を得る。なお、上記ＣＦＲＰ基材１２，１４としては、カーボン／エポキシプリプレグ（Ｗ３１０１／Ｑ１１２Ｊ：東邦テナックス社製）を用いている。

続いて、第２中間体１５を積層し、積層体１６を得る。このとき、積層面に関し面対称となるように、第２中間体１５を積層する。続いて、積層体１６を袋体に挿入し、真空ポンプにて袋体内を減圧した後、恒温槽に投入する。そして、恒温槽内にて８０℃で５時間仮焼することで、積層体１６を半硬化させる。その後、恒温槽内にて１３０℃で１．５時間本焼することで、積層体１６を本硬化させると共にコア材１１ａ，１１ｂを減容させる。これにより、ＣＦＲＰ基材１２，１４が第１及び第２立体部２，４のそれぞれの壁部として形成されてなる中空構造体としての衝撃吸収構造１が製造される。

以上、本実施形態の衝撃吸収構造１では、第１立体部２内の３次元空間内に第２立体部４が設けられてなる２重構造とでき、且つ、第２立体部４の壁部３によって、特定方向を軸方向とする円筒状の従来構造のように特定方向の衝撃荷重Ｆを吸収するだけでなく、特定方向を含む多方向の衝撃荷重Ｆ，Ｆ１を吸収することが可能となる。よって、衝撃荷重Ｆの荷重方向に高いロバスト性を発揮させることができる。

加えて、第２立体部４によって荷重を分散させ、第１及び第２立体部２，４の座屈を遅らせることができるため、ピーク荷重を保ちながら体積効率よく衝撃吸収を行うことが可能となる。つまり、衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の吸収（破壊モード）をコントロールすることが可能となる。

その結果、本実施形態では、荷重方向を選ばず安定した衝撃吸収を可能となる。なお、本実施形態は、衝撃荷重Ｆ，Ｆ１を受けるセルを３次元方向に配置したような構造であって、人体耐性に応じた衝撃吸収プロセスを設計可能にするものともいえる。

図４は、図１の衝撃吸収構造と従来の衝撃吸収構造とのそれぞれに衝撃荷重が加わったときの荷重及びストロークを示すグラフである。ここでのストロークとは、衝撃吸収構造１の変形量を意味している（以下、同じ）。図中において、実線は、上記衝撃吸収構造１の値を示し、破線は、第２立体部４を備えない従来の衝撃吸収構造の値を示している。図４に示すグラフによれば、上記衝撃吸収構造１では、従来に比べてストロークが増加しても荷重が急峻に低下しないことがわかり、ピーク荷重を保ちながら体積効率よく衝撃吸収を行うという上記効果を確認できる。

ところで、飛行機の墜落や自動車の衝突状況での安全技術は、次世代モビリティにおいて必須なものである。そのため、従来、生存空間の確保だけでなく、人体にかかるＧ（加速度）を低減する衝撃吸収構造が求められている。そして、衝突状況は無数にあることから、特定方向の衝撃荷重Ｆだけの吸収ではなく、あらゆる方向からの衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の吸収が望まれると共に、衝撃荷重Ｆ，Ｆ１に対応して人体への負荷をコントロールできるものが要求されている。

しかしながら、従来技術では、主に２次元方向で衝撃荷重Ｆ，Ｆ１を受ける構造となっているため、特定方向の衝撃荷重Ｆに対しては衝撃吸収機能が発揮されるが、それ以外の方向からの衝撃荷重Ｆ１に対しては充分な衝撃吸収機能が発揮できない場合がある。よって、本実施形態の上記効果、すなわち、特定方向を含む多方向の衝撃荷重Ｆ，Ｆ１を吸収するという効果は、効果的なものといえる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においては、上記実施形態と異なる点について主に説明する。

図５は本発明の第２実施形態に係る衝撃吸収構造を示す概略斜視図、図６は図５の衝撃吸収構造の断面図である。図５に示すように、本実施形態の衝撃吸収構造２０が上記衝撃吸収構造１と異なる点は、第２立体部４（図１参照）に代えて、錐形状外形の第２立体部２１を備えた点である。

第２立体部２１は、特定方向と直交（交差）する面を底面２１ｂとする４角錐形状外形を呈している。換言すると、第２立体部２１は、その外形が、特定方向を高さ方向とする４角錐形状となっている。また、第２立体部２１は、その頂点２１ａが荷重方向手前側（ここでは、上壁部２ａ上）に位置するよう配設されていると共に、その底面２１ｂが荷重方向奥側（ここでは、下壁部２ｂ上）に位置するよう配設されている。

これにより、図６に示すように、第２立体部２１は、特定方向の直交面での断面積が、特定方向において荷重方向手前側から奥側に行くに従って増加するようになっている。つまり、第２立体部２１は、特定方向の交差面での断面積が、特定方向における一方側から他方側に行くに従って（特定方向に沿って）変化するように構成されている。

以上、本実施形態の衝撃吸収構造２０においても、第１立体部２内に第２立体部２１が配設され当該第２立体部２１の壁部２９が特定方向と交差する方向に沿うようになっていることから、上記効果と同様の効果、すなわち、吸収する衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の荷重方向に高いロバスト性を有することができ且つ衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の吸収をコントロールするという効果を奏する。

さらに、上述したように、特定方向の交差面での断面積が特定方向における一方側から他方側に行くに従って増加（変化）するように、第２立体部２１が構成されている。よって、衝撃荷重Ｆによる自己破壊の進展に連れて特定方向の交差面での断面積が増加（変化）するため、荷重を徐々に上昇（変化）させ、徐々に衝撃吸収量を大きく（変化）させることができる。つまり、衝撃荷重Ｆの吸収を、人体耐性に合わせて一層コントロールすることが可能となる。

図７は、図５の衝撃吸収構造と従来の衝撃吸収構造とのそれぞれに衝撃荷重が加わったときの荷重及びストロークを示すグラフである。図中において、実線は、上記衝撃吸収構造２０の値を示し、破線は、第２立体部２１を備えない従来の衝撃吸収構造の値を示している。図７に示すグラフによれば、上記衝撃吸収構造２０では、従来に比べてストロークが増加するに連れて荷重が上昇していくことがわかり、荷重を徐々に上昇させて徐々に衝撃吸収量を大きくさせるという上記効果を確認できる。

なお、本実施形態は、上記第１実施形態で説明した製造方法と同様に、外形形状に対応するよう分割したコア材にＣＦＲＰ基材を巻き付けて積層し、硬化させることで製造可能である。

また、本実施形態では、第２立体部２１を４角錐形状外形としたが、３角錐形状外形や円錐形状外形としてもよく、種々の錐形状外形としてもよい。また、第２立体部２１を錐台形状外形としてもよく、例えば、図８（ａ）に示すような円錐台形状外形としてもよい。さらにまた、球を一つの平面で切り取ったような球欠形状外形としてもよく、例えば、図８（ｂ）に示すような半球形状外形としてもよい。

また、本実施形態では、第２立体部２１の頂点２１ａを荷重方向手前側とし、底面２１ｂを荷重方向奥側としたが、頂点２１ａを荷重方向奥側とし、底面２１ｂを荷重方向手前側としてもよく、この場合、衝撃荷重Ｆによる自己破壊の進展に連れて特定方向の交差面での断面積が減少するため、荷重を徐々に減少させ、徐々に衝撃吸収量を小さくできる。

ちなみに、本実施形態においては、その衝撃吸収量を増加させるべく、第１立体部２内にて特定方向に沿う補強壁を設けてもよい。図９は、図５の衝撃吸収構造のさらに他の例を示す図である。図中において、上図は図５に対応する斜視図であり、下図は図６（ｂ）に対応する断面図である。

図９（ａ）に示すように、第２立体部２１内において当該第２立体部２１を２等分するような補強壁２５を設けてもよい。また、図９（ｂ）に示すように、第１立体部２内において当該第１立体部２を対角状に２等分するような補強壁２６を設けてもよい。さらにまた、図９（ｃ）に示すように、第２立体部２１内において当該第２立体部２１を４等分するような十字状の補強壁２７を設けてもよい。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においては、上記実施形態と異なる点について主に説明する。

図１０は本発明の第３実施形態に係る衝撃吸収構造を示す概略斜視図、図１１は図１０の衝撃吸収構造の断面図である。図１０，１１に示すように、本実施形態の衝撃吸収構造３０が上記衝撃吸収構造１と異なる点は、第２立体部４（図１参照）に代えて、第１立体部２に内接するような球状外形の第２立体部３１を備えた点である。

この本実施形態の衝撃吸収構造３０においても、第１立体部２内に第２立体部３１が配設され当該第２立体部３１の壁部３９が特定方向と交差する方向に沿うようになっていることから、上記効果と同様の効果、すなわち、吸収する衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の荷重方向に高いロバスト性を有することができ且つ衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の吸収をコントロールするという効果）を奏する。

さらに、本実施形態の第２立体部３１は、球対称の形状であることから、あらゆる方向の衝撃荷重Ｆ，Ｆ１を同じように受けることができる。よって、第２立体部３１の壁部３９によって、特定方向を含む多方向の衝撃荷重Ｆ，Ｆ１を好適に吸収することが可能となり、荷重方向に一層高いロバスト性を発揮させることが可能となる。

加えて、本実施形態では、図１２に示すように、衝撃荷重Ｆ，Ｆ１が負荷された際、第２立体部３１が潰れるように変形されることから、かかる変形の進展に連れて荷重を徐々に上昇させることができる。つまり、衝撃荷重Ｆ，Ｆ１の吸収を一層コントロールすることが可能となる。

図１３は、図１０の衝撃吸収構造と従来の衝撃吸収構造とのそれぞれに衝撃荷重が加わったときの荷重及びストロークを示すグラフである。図中において、実線は、上記衝撃吸収構造３０の値を示し、破線は、第２立体部３１を備えない従来の衝撃吸収構造の値を示している。図１３に示すグラフによれば、上記衝撃吸収構造３０では、従来に比べてストロークが増加するに連れて荷重が上昇していくことがわかり、特に、ストロークの増加に伴い荷重が２次関数的に上昇していくことがわかる。よって、荷重を徐々に上昇させて徐々に衝撃吸収量を大きくさせるという上記効果を確認することができる。

なお、本実施形態は、上記第１実施形態で説明した製造方法と同様に、外形形状に対応するように分割したコア材にＣＦＲＰ基材を巻き付けて積層し、硬化させることで製造可能である。

また、本実施形態は、上記第２立体部３１に代えて、例えば図１４（ａ）に示すように、同じ球形状外形の中空球体３２を複数含んで構成された第２立体部３５を備えていてもよい。また、互いに異なる球形状外形の中空球体を複数含んで構成された第２立体部を備えていてもよく、例えば図１４（ｂ）に示すように、上記第２立体部３１と同様な中空球体３３と、第１立体部２の四隅に配置され第１及び第２立体部２，３１に接する中空球体３４と、を複数含んで構成された第２立体部３６を備えていてもよい。これらの場合、第１立体部２に対する第２立体部３５，３６の接点が増加するため、第２立体部３５，３６に作用する荷重が第１立体部２へと伝達し易くなる。

ちなみに、本実施形態においても、その衝撃吸収量を増加させるべく、第１立体部２内にて特定方向に沿う補強壁を設けてもよい。図１５は、図１０の衝撃吸収構造のさらに他の例を示す図である。図１５に示すように、第２立体部３１内において当該第２立体部３１を４等分するような十字状の補強壁３８を設けてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態は、ＣＦＲＰで形成されているが、他のＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）材料で形成されていてもよく、金属で形成されていてもよい。また、上記実施形態では、第１立体部２が多面体構造とされているが、球等であってもよく、要は、中空の立体（３次元体）構造とされていればよい。

１，２０，３０…衝撃吸収構造、２…第１立体部と、３，２９，３９…壁部、４，２１，３１，３５，３６…第２立体部、２１ｂ…底面、Ｆ…特定方向の衝撃荷重。

Claims

特定方向の衝撃荷重を吸収するように構成された衝撃吸収構造であって、
中空の立体構造とされた第１立体部と、
前記第１立体部内に配設され、中空の立体構造とされた第２立体部と、を備え、
前記第２立体部は、
前記特定方向と交差する方向に沿う壁部を含み、
前記特定方向と交差する面での断面積が、前記特定方向における一方側から他方側に行くに従って変化するように構成され、
前記特定方向と交差する面を底面とするような錐形状外形を呈しており、
前記第１立体部内には、前記第２立体部内において当該第２立体部を２又は４等分するような補強壁が、前記特定方向に沿って設けられていることを特徴とする衝撃吸収構造。